Оптическая неинвазивная диагностика функционального состояния микроциркуляторного русла пациентов с нарушением периферической микрогемодинамики

Рассмотрены возможности и перспективы применения оптических неинвазивных диагностических технологий для выявления и оценки степени тяжести микроциркуляторных и метаболических нарушений при ревматических заболеваниях и сахарном диабете. Проведены экспериментальные исследования с участием 137 условно здоровых добровольцев и 147 пациентов с указанными заболеваниями (77 пациентов с ревматическими заболеваниями и 70 - с сахарным диабетом). В работе показано, что применение методов лазерной допплеровской флоуметрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения имеет важное диагностическое значение для выявления возникающих нарушений, и данные методы могут быть использованы в качестве дополнительных диагностических способов в арсенале практикующего врача в области ревматологии и эндокринологии.

лазерная допплеровская флоуметрия, спектроскопия диффузного отражения, флуоресцентная спектроскопия, сахарный диабет, ревматические заболевания, laser Doppler flowmetry, diffuse reflectance spectroscopy, fluorescence spectroscopy, diabetes mellitus, rheumatic diseases

1. Бондаренко О. Н., Аюбова Н. Л., Галстян Г. Р., Дедов И. И. Транскутанная оксиметрия в динамическом наблюдении за пациентами с сахарным диабетоми критической ишемией нижних конечностей // Сахарный диабет. - 2013. - Т 16. - № 1. - С. 33-42. [Bondarenko ON, Ayubova NL, Galstyan GR, Dedov II. Transcutaneous oximetry monitoring in patients with type 2 diabetes mellitus and critical limb ischemia. Diabetes mellitus. 2013;16(1):33-42 (In Russ.)]. doi: 10.14341/2072-0351-3594.

2. Жеребцова А. И., Жеребцов Е. А., Дунаев А. В. и др. Метод и устройство диагностики функционального состояния периферических сосудов верхних конечностей // Мед. техн. - 2017. - Т. 301. - № 1. - С. 33-37. [Zherebtsova AI, Zherebtsov EA, Dunaev AV i dr. Method and device for diagnosing the functional state of peripheral vessels of the upper limbs. Meditsinskaya tehnika = Medical technology. 2017;301(1):33-37 (In Russ.)].

3. Жеребцова А. И. Метод диагностики функционального состояния периферических сосудов пальцев рук для пациентов ревматологического профиля // Фундамент. и приклад. пробл. техники и технол. - 2015. - Т. 4. - № 312. - С. 113-121. [Zherebtsova AI. Diagnostics method of the peripheral vessels functional state of fingers for rheumatological patients. Fundamentalnyie i prikladnyie problemy tehniki i tehnologii = Fundamental and applied problems of technique and technology. 2015;4(312):113-121 (In Russ.)].

4. Крупаткин А. И. Влияние симпатической иннервации на тонус микрососудов и колебания кровотока кожи // Физиол. человека. - 2006. - Т. 5. - № 32. - С. 95-103. [Krupatkin AI. The influence of the sympathetic innervation on the skin microvascular tone and bloodflow oscillations. Human Physiology. 2006;5(32):584-592]. doi: 10.1134/S0362119706050136.

5. Крупаткин А. И. Пульсовые и дыхательные осцилляции кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека // Физиол. человека. - 2008. - Т. 3. - № 34. - С. 70-76. [Krupatkin AI. Cardiac and respiratory oscillations of the blood flow in microvessels of the human skin. Human Physiology. 2008;3(34):323-329]. doi: W.U34/S0362U9708030092.

6. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: колебания, информация, нелинейность: рук-во для врачей. - М.: ЛИБРОкОм, 2013. - 496 с. [Krupatkin AI, Sidorov VV. Functional diagnostics of microcirculatory-tissue systems: fluctuations, information, nonlinearity: a guide for doctors. Moscow: LIBROKOM, 2013:496 (In Russ.)].

7. Новикова И. Н., Дунаев А. В., Сидоров В. В., Крупаткин А. И. Функциональное состояние микроциркуляторно-тканевых систем при холодовой прессорной пробе // Физиол. человека. - 2015. - Т. 6. - № 41. - С. 95-103. [Novikova IN, Dunaev AV, Sidorov VV, Krupatkin AI. Functional status of microcirculatory-tissue systems during the cold pressor test. Human Physiology. 2015;6(41):652-658]. doi: 10.1134/S0362119715060067.

8. Потапова Е. В., Дремин В. В., Жеребцов Е. А. и др. Комплексный подход к неинвазивной оценке микроциркуляторно-тканевых нарушений в стопах пациентов с сахарным диабетом методами спектроскопии // Оптика и спектроскопия. - 2017. - Т. 123. - № 6. - С. 946-956. [Potapova EV Dremin VV, Zherebtsov EA i dr. A Complex Approach to Noninvasive Estimation of Microcirculatory Tissue Impairments in Feet of Patients with Diabetes Mellitus using Spectroscopy. Optics and Spectroscopy. 2017;123(6):955-964 (In Russ.)].

9. Потапова Е. В., Дремин В. В., Жеребцов Е. А. и др. Оценка микроциркуляторных нарушений у пациентов ревматологического профиля с использованием метода спектроскопии диффузного отражения // Физиол. человека. - 2017. - Т. 43. - № 2. - С. 116-124. [Potapova EV, Dremin VV, Zherebtsov EA i dr. Evaluation of Microcirculatory Disturbances in Patients with Rheumatic Diseases by the Method of Diffuse Reflectance Spectroscopy. Human Physiology. 2017;2(43):222-228 (In Russ.)].

10. Филина М. А., Потапова Е. В., Маковик И. Н. и др. Функциональные изменения микроциркуляции крови в коже стопы при тепловых пробах у пациентов с сахарным диабетом // Физиол. человека. - 2017. - Т. 43. - № 6. - С. 95-102. [Filina MA, Potapova EV, Makovik IN. Functional changes of blood microcirculation in the skin of the foot during heating tests in patients with diabetes. Human Physiology. 2017;6(43):952102 (In Russ.)]. doi: 10.7868/S0131164617060029.

11. Abraham D, Dashwood M. Endothelin - role in vascular disease // Rheumatology (Oxford, England). 2008;47(5):v23-v24.

12. Avogaro A, Albiero M, Menegazzo L, et al. Endothelial dysfunction in diabetes: The role of reparatory mechanisms // Diabetes Care. 2011;34(2):S285-S290. doi: 10.2337/dc11-s239.

13. Avouac J, Fransen J, Walker UA, et al. Preliminary criteria for the very early diagnosis of systemic sclerosis: Results of a Delphi consensus study from EULAR scleroderma trials and research group // Annals of the Rheumatic Diseases. 2011;70(3):476-481. doi: 10.1136/ard.2010.136929.

14. Bartolome F, Abramov AY. Measurement of mitochondrial NADH and FAD autofluorescence in live cells // Mitochondrial Medicine. 2015;1:263-270. doi: 10.1007/978-1-4939-2257-4_23.

15. Chakravarthy U, Hayes RG, Stitt AW, et al. Constitutive nitric oxide synthase expression in retinal vascular endothelial cells is suppressed by high glucose and advanced glycation endproducts // Diabetes. 1998;47(6):945-952. doi: 10.2337/diabetes.47.6.945.

16. Daly SM, Leahy MJ. ‘Go with the flow‘: A review of methods and advancements in bloodflow imaging // Journal of Biophotonics. 2013;6(3):217-255. doi: 10.1002/jbio.201200071.

17. Dawson JB, Barker DJ, Ellis DJ, et al. A theoretical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin // Physics in Medicine and Biology. 1980;25(4):695-709. doi: 10.1088/0031-9155/25/4/008.

18. Dremin VV, Zherebtsov EA, Rafailov IE, et al. The development of attenuation compensation models of fluorescence spectroscopy signals // Proc. SPIE 9917. 2016:99170Y. doi: 10.1117/12.2229451.

19. Dremin VV, Zherebtsov EA, Sidorov VV, et al. Multimodal optical measurement for study of lower limb tissue viability in patients with diabetes mellitus // Journal of Biomedical Optics. 2017;22(8). doi: 10.1117/1.JBO.22.8.085003.

20. Dunaev AV, Sidorov VV, Krupatkin AI, et al. Investigating tissue respiration and skin microhaemocirculation under adaptive changes and the synchronization of bloodflow and oxygen saturation rhythms // Physiological Measurement. 2014;35(4):607-621. doi: 10.1088/0967-3334/35/4/607.

21. Feather JW, Hajizadeh-Saffar M, Leslie G, Dawson JB. A portable scanning reflectance spectrophotometer using visible wavelengths for the rapid measurement of skin pigments // Physics in Medicine and Biology. 1989;34(7):807-820. doi: 10.1088/0031-9155/34/7/002.

22. Fuchs D, Dupon PP, Schaap LA, Draijer R. The association between diabetes and dermal microvascular dysfunction non-invasively assessed by laser Doppler with local thermal hyperemia: A systematic review with meta-analysis // Cardiovascular Diabetology. 2017;16(1). doi: 10.1186/s12933-016-0487-1.

23. Gutierrez M, de Angelis R, Bertolazzi C, Grassi W. Capillaroscopic scleroderma-like pattern in patients without connective tissue disorders // Rheumatology. 2010;49(10):1994-1996. doi: 10.1093/rheumatology/keq172.

24. Hajizadeh-Saffar M, Feather JW, Dawson JB. An investigation of factors affecting the accuracy of in vivo measurements of skin pigments by reflectance spectrophotometry // Physics in Medicine and Biology. 1990;35(9):1301-1315. doi: 10.1088/0031-9155/35/9/009.

25. IDF Diabetes Atlas. 7th ed. International Diabetes Federation, Brussels, Belgium. 2015.

26. Kerekes G, Soltesz P, Nurmohamed MT, et al. Validated methods for assessment of subclinical atherosclerosis in rheumatology // Nature Reviews Rheumatology. 2012;8(4):224-234. doi: 10.1038/nrrheum.2012.16.

27. Kolluru GK, Bir SC, Kevil CG. Endothelial dysfunction and diabetes: Effects on angiogenesis, vascular remodeling, and wound healing // International Journal of Vascular Medicine. 2012;918267. doi: 10.1155/2012/918267.

28. Kvandal P, Stefanovska A, Veber M, et al. Regulation of human cutaneous circulation evaluated by laser Doppler flowmetry, iontophoresis, and spectral analysis: Importance of nitric oxide and prostaglandines // Microvascular Research. 2003;65(3):160-171. doi: 10.1016/S0026-2862(03)00006-2.

29. Lister T, Wright PA, Chappell PH. Optical properties of human skin // Journal of Biomedical Optics. 2012;17(9). doi: 10.1117/1.JBO.17.9.090901.

30. Makovik IN, Dunaev AV, Dremin VV, et al. Detection of angiospastic disorders in the microcirculatory bed using laser diagnostics technologies // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2018;11(1):1750016. doi: 10.1142/S179354581750016X.

31. Murdaca G, Colombo BM, Cagnati P, et al. Endothelial dysfunction in rheumatic autoimmune diseases // Atherosclerosis. 2012;224(2):309-317. doi: 10.1016/j.atherosclerosis.2012.05.013.

32. Muz B, Larsen H, Madden L, et al. Prolyl hydroxylase domain enzyme 2 is the major player in regulating hypoxic responses in rheumatoid arthritis // Arthritis and Rheumatism. 2012;64(9):2856-2867. doi: 10.1002/art.34479.

33. Peters MJ, Symmons DP, McCarey D, et al. EULAR evidence-based recommendations for cardiovascular risk management in patients with rheumatoid arthritis and other forms of inflammatory arthritis // Ann Rheum Dis. 2010;69(2):325-331. doi: 10A136/ard.2009.U3696.

34. Podbregar M, Mozina H. Skeletal muscle oxygen saturation does not estimate mixed venous oxygen saturation in patients with severe left heart failure and additional severe sepsis or septic shock // Critical care. 2007;11(1):R6.

35. Schramm JC, Dinh T, Veves A. Microvascular changes in the diabetic foot // International Journal of Lower Extremity Wounds. 2006;5(3):149-159. doi: 10.1177/1534734606292281.

36. Sell DR, Nagaraj RH, Grandhee SK, et al. Pentosidine: A molecular marker for the cumulative damage to proteins in diabetes, aging, and uremia // Diabetes/Metabolism Reviews. 1991;7(4):239-251. doi: 10.1002/dmr.5610070404.

37. Sena CM, Pereira AM, Seiga R. Endothelial dysfunction - A major mediator of diabetic vascular disease // Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Basis of Disease. 2013;1832(12):2216-2231. doi: 10.1016/j.bbadis.2013.08. 006.

38. Smolen JS, Landewe R, Bijlsma J, Burmester G, et al. EULAR recommendations for the management of rheumatoid arthritis with synthetic and biological disease-modifying antirheumatic drugs: 2016 update // Annals of the Rheumatic Diseases. 2017;76(6):960-977. doi: 10.1136/annrheumdis-2016-210715.

39. Soderstrom T, Stefanovska A, Veber M, Svensson H. Involvement of sympathetic nerve activity in skin blood flow oscillations in humans // American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 2003;284(5,53-5):H1638-H46.

40. Stitt AW, He C, Friedman S, et al. Elevated AGE-modified ApoB in sera of euglycemic, normolipidemicpatients with atherosclerosis: Relationship to tissue AGEs // Molecular Medicine. 1997;3(9):617-627.

41. Tan KC, Chow WS, Ai VH, et al. Advanced glycation end products and endothelial dysfunction in type 2 diabetes // Diabetes Care. 2002;25(6):1055-1059. doi: 10.2337/diacare. 25.6.1055.

42. Thorn CE, Matcher SJ, Meglinski IV, Shore AC. Is mean blood saturation a useful marker of tissue oxygenation? // American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 2009;296(5):H1289-H1295. doi: 10.1152/ajpheart.01192.2008.

43. Vanhoutte PM, Shimokawa H, Feletou M, Tang EHC. Endothelial dysfunction and vascular disease - a 30th anniversary update // Acta Physiologica. 2017;219(1):22-96. doi: 10.1111/apha.12646.

44. Zherebtsova AI, Zherebtsov EA, Dunaev AV, et al. Study of the functional state of peripheral vessels in fingers of rheumatologicalpatients by means of laser Doppler flowmetry and cutaneous thermometry measurements //Proc. SPIE 9917. 2016;99170M. doi: 10.1117/12.2229827.

45. Zherebtsov E, Dremin V, Zharkikh E, et al. Fibre-optic probe for fluorescence diagnostics with blood influence compensation // Proc. SPIE 10493. 2018;104931L. doi: 10.1117/12.2290431.

46. Zherebtsov EA., Zherebtsova AI, Doronin A, et al. Combined use of laser Doppler flowmetry and skin thermometryfor functional diagnostics of intradermal finger vessels // Journal of Biomedical Optics. 2017;22(4):040502. doi: 10.1117/1.JBO.22.4.040502.